带有平衡装置的离心泵以及平衡该离心泵的轴向力的方法与流程

用于平衡离心泵的轴向力的装置通常用于多级泵，其具有高的压头，并在相同的轴上设置有若干个相继的离心叶轮。在一个叶轮或多个叶轮于泵中轴向地抽吸液体并从泵中径向地排出液体时，产生轴向力。轴向力倾向于朝着泵的入口拉拽所述一个或多个叶轮，由此，当将叶轮组保持就位时，泵的轴承经受相当大的轴向力。为了减小轴承经受的轴向力，并因而使得能够使用较小或较轻的轴承或不同类型的轴承，已开发了用于平衡轴向力的装置。

现有技术已知用于平衡轴向力的两种基本类型的装置。一种是所谓的鼓型平衡装置，并且另一种是盘型平衡装置。混合平衡装置也是已知的，即一种包括平衡鼓和平衡盘的平衡装置。在大多数情况下，当从泵入口朝着泵出口观察时，平衡装置被定位在泵轴上，位于最后的叶轮后面。然而，如果需要，则能够将离心泵构造成使得平衡装置在多级离心泵的级之间或者在其一个或多个叶轮前面。盘型平衡装置可以被认为是两种基本平衡装置中的优选选择，这是由于盘型平衡装置自动地调整其操作，即，轻微的磨损根本不影响平衡装置的操作，然而，鼓型平衡装置即便最轻微的磨损，也导致该平衡装置的平衡能力的变化。此外，盘型平衡装置还在轴向方向上占用比鼓型平衡装置小的空间。

本发明稍后更详细地讨论的盘型平衡装置由紧固在泵的轴上的平衡盘和固定的对立构件形成。在大多数情况下，对立构件布置成在叶轮或多个叶轮中的一个叶轮与平衡盘之间从泵蜗壳或壳体径向向内延伸。通常，固定的对立构件是离心泵的最后的泵送级的后壁。平衡盘和对立构件在它们之间留有径向延伸的腔，所谓的平衡腔。平衡盘或对立构件或者两者在平衡盘的外周边处具有环形的轴向延伸，有时是单独的圆环，用于减小平衡盘与对立构件之间的腔的轴向尺寸，以便限制来自泵的加压液体的泄漏流动。然而，应理解的是，当从泵的入口开口的方向上观察时，平衡装置、即平衡盘、其对立构件和平衡腔还可位于一个或多个叶轮前面。在这种情况下，需要沿着单独的流动通道将加压液体带到平衡腔。

盘型平衡装置起作用，从而使得通过叶轮或叶轮组加压的液体的一部分如离心泵中众所周知地进入在最后的泵送级的叶轮后面的腔，并且经由在泵的轴或平衡盘的轴套与固定的对立构件之间的空隙找到其到平衡盘与固定的对立构件之间的径向延伸的平衡腔的路径。既然液体的压力在实践中不降低，那么泵送液体的全压力就会影响旋转的平衡盘，以将平衡盘从泵的入口推开，即与由叶轮产生的轴向力相反。由此，对泵的轴承加载的轴向推力是具有相反方向的两个轴向力的差。通过合适地确定平衡装置的尺寸，可使两个相反的力相等，导致零推力，由此，可使轴的轴承变为不能承载任何轴向负载的滑动轴承。

然而，在加压液体在平衡盘和其对立构件之间的平衡腔中径向向外流动时，液体到达环形延伸或环并进入环形延伸或环与其对立表面之间的环形缝隙。既然环形缝隙非常细，即其深度非常小，并且径向地在环上的压力差相对高(主要取决于泵的压头)，细的缝隙中的液体的流动速度就会高。由于液体的高速度，所以平衡盘与对立构件之间的缝隙中的压力低，导致了在高的流动速度的区域中，即在环区域处，盘不能产生任何明显的轴向力。结果，在合适的状况下，液体流的进入环与其对立表面之间的缝隙的一部分暂时蒸发成蒸汽。特别地，在这样的状况下，即，与离蒸汽压力有多远相比，平衡装置上的压力差为高的状况下，平衡装置操作。细的缝隙中的液体的暂时蒸发容易导致环与其对立表面之间的机械接触，所述机械接触至少增加摩擦损失，并且升高了表面温度。此外，液体的突然蒸发可能导致对立表面之间的冲击，这是由于它们互相碰撞。摩擦和冲击从长远看都可引起磨损，所述磨损随着时间的过去可导致用新的平衡装置代替平衡装置的需求。换句话说，由于平衡装置交替地在低摩擦和高摩擦情形下操作，所以在平衡装置的操作中可看到的第一个问题是与功率消耗的波动相结合的高的功率消耗。

上述问题，首先是对立表面之间的机械接触已被建议通过增加平衡盘的直径从而增加平衡盘的有效区域来解决。然而，这在泵的所有操作状况下不能防止液体沸腾的情况下导致了平衡装置的功率消耗的相当大的升高。换句话说，现有技术的改进导致了提高的功率消耗和不时的磨损相关的问题。

因而，本发明的目的是设计一种这样的用于离心泵的新颖的平衡装置，其降低了平衡装置的功率消耗。

本发明的另一目的是设计一种这样的用于离心泵的新颖的平衡装置，其显著降低了或者完全消除了平衡装置的功率消耗中的波动。

本发明的又一目的是设计一种这样的用于离心泵的新颖的平衡装置，其防止了平衡盘与其对立构件之间的机械接触。

本发明的又一目的是开发一种这样的用于离心泵的新颖的平衡装置，其自动地调整其操作间隙。

通过如下所述的离心泵，这些问题中的至少一个问题被解决，并且本发明的这些目的中的至少一个目的被满足，所述离心泵包括：泵壳体，其具有入口和出口；轴，其通过滑动轴承被密封并安装至泵壳体，该轴可在轴向方向上移动；至少一个叶轮，其被紧固在轴上，以便与之一起旋转；和用于平衡轴向力的装置；平衡装置包括紧固在轴上用于与之一起旋转并具有外周的平衡盘和与泵壳体结合布置的固定的对立构件；平衡盘和对立构件在它们之间留有平衡腔；平衡盘具有被界定于外周的第一非轴向表面，并且对立构件具有第二非轴向表面，第一和第二非轴向表面相互面对并在它们之间留有细的缝隙，其中，第一和第二非轴向表面中的至少一个设置有至少一个环形沟槽，和在平衡盘下游的节流器。

本发明的其他特有的特征在所附从属权利要求中变得明显。

本发明相对现有技术的平衡装置带来以下优点：

功率消耗中没有波动或具有非常小的波动；

比传统的盘型平衡装置低的功率消耗；

比传统的盘型平衡装置小的盘半径；

平衡盘与其对立表面之间的缝隙的连续调整；

平衡盘对于其整个径向范围都能够承载负载；

平衡装置可对于不同的泵特性、特别是对于变化的压头容易地调整；和

与鼓型平衡装置相反，可能的磨损对平衡装置的功能没有影响。

以下将参考附图更详细地讨论本发明，附图中：

图1示意性地并且在轴向截面中图示了包括根据本发明的第一优选实施例的盘型平衡装置的多级离心泵；

图2示意性地图示了根据本发明的第一优选实施例的平衡装置的轴向的更详细的截面；

图3图示了根据本发明的第一优选实施例的第一变化的平衡装置的详细轴向截面；

图4图示了根据本发明的第一优选实施例的第二变化的平衡装置的详细轴向截面；

图5图示了根据本发明的第一优选实施例的第三变化的平衡装置的详细轴向截面；

图6图示了根据本发明的第二优选实施例的平衡装置的详细轴向截面；

图7图示了根据本发明的第三优选实施例的平衡装置的详细轴向截面；

图8图示了根据本发明的第四优选实施例的平衡装置的详细轴向截面；

图9图示了根据本发明的第五优选实施例的平衡装置的详细轴向截面；

图10图示了根据本发明的第六优选实施例的平衡装置的详细轴向截面；

图11图示了根据本发明的第七优选实施例的平衡装置的详细轴向截面；和

图12图示了根据本发明的第八优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。

图1图示了具有壳体10的多级离心泵的轴向截面，壳体10具有入口12和出口14，壳体10容纳有平衡装置20和被装接在轴18上用于与之一起旋转的多个、在此为四个叶轮10。

图2示意性地图示了根据本发明的第一优选实施例的离心泵的端部和平衡装置20的轴向的更详细的截面。在此，在该实施例中，平衡装置20由装接在轴18上用于与之一起旋转的平衡盘22形成。与平衡盘22结合地，可以设有单独的套管，或者平衡盘可设置有整体的轴向延伸部、即圆柱形套管24，这些套管中的任何一个从该盘延伸，直到叶轮16的轮毂。平衡装置20还包括在平衡盘22与叶轮16之间从泵壳体10径向向内延伸的对立构件28。在该实施例中，对立构件28是离心泵的后壁或装接至其的特定部分。更一般地说，对立构件是离心泵的壳体的一部分或装接至其的特定部分。对立构件28优选但非必需地设置有装接至对立构件28的对立环26，使得其径向紧接在平衡盘22的外周内侧并且面对平衡盘22的区域。附图借助于黑粗流线示出了泵送液体如何能够从叶轮16的后侧腔30流到套管24与对立构件28的内周34之间的径向间隙32，以流到平衡盘22与对立构件28之间的向外延伸的平衡腔36。在平衡腔36的径向外端，液体经由平衡盘22与对立构件28之间的细的缝隙36’(这里，在该实施例中，对立环26是对立构件28面对平衡盘22的部分)流到径向地在平衡盘22外侧的空间。当从泵入口12的方向观察时，在平衡盘22外侧的空间与轴向地在平衡盘22后面的腔38流动连通。通过平衡装置20泄漏的液体继续朝着泵轴18的滑动轴承40，使得液体在经过轴承40时被用于润滑滑动轴承40。当已经经过轴承40时，液体进入泵的端部腔42，从那里，其经由管线44被引导至泵的吸入处，或者被引导至在泵轴18的相反端的轴承。轴承40在泄漏液体的流动通道中形成固定节流器，以将泄漏液体的量保持为期望的量。

图3图示了根据本发明的第一优选实施例的第一变化的平衡装置20的详细轴向截面。平衡盘22具有面对对立环26的对立表面50。对立表面50和与之面对的对立环26的表面52涂有适合用作对立表面的材料，或以另外的方式由适合用作对立表面的材料制成。仅举几个示例并且无任何意图将选项局限于所列出的选项，对立环26借助于螺钉、粘合剂、焊接、铆接被紧固在对立构件28上或紧固在对立构件28的环形沟槽中。对立环26在其面对平衡盘22的表面50的表面52中优选但非必需地具有圆形沟槽54。沟槽54优选但非必需地具有矩形的横截面，并取决于待泵送的液体具有一至数十毫米的深度，即液体承载的外来研磨材料越多，则沟槽应越深，以在不失去它们以期望的方式工作的能力的情况下允许沟槽深度的磨损。沟槽的基本特性是其增大平衡盘22与对立环26之间的缝隙36’中的截面通流区域，使来自缝隙36’的泄漏流经受突然的膨胀和收缩型流阻。换句话说，当进入沟槽时，液体几乎完全失去其流动速度，并且当再次进入细的缝隙时，液体必须加速至与细的缝隙对应的流动速度。当进入沟槽时，通流区域的厚度尺寸从微米范围增大至毫米范围、即从1毫米到数十毫米的值。换句话说，截面通流区域、或者实际上其径向深度(由于宽度、即周边大致保持相同)再次取决于待泵送的液体的类型增大至少十倍，优选地增大至超过五十倍或超过一百倍。并且在沟槽之后，其再次减小回到微米范围。

关于平衡盘22及其对立构件28的定向，其优选是径向的，这是由于在这样的情况下，平衡装置需要的轴向尺寸是最小的。然而，只要细的缝隙36’的对立表面50和52的方向与轴向方向明显不同，就可获得本发明的优点。换句话说，只要对立表面50和52相对于彼此的移动引起缝隙36’的尺寸的变化，就可获得本发明的优点。因而，对对立表面50和52的方向的基本要求是其方向是非轴向的。然而，可假定的是，对立表面50和52的定向相对于泵的轴线a(参见图2)的方向应在30度与90度之间。

图4图示了根据本发明的第一优选实施例的第二变化的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第二变化中，对立环26’不是径向的，而是如以上已讨论地稍微倾斜的。当然，平衡盘22’中的对立表面同样以对应的方式倾斜。在具有倾斜的非轴向对立表面的该变化中，获得了与径向变化中相同的优点，即表面之间的缝隙自动地调整，使得该缝隙对于其整个倾斜的长度而言保持相同。通过倾斜的对立表面获得的另一优点是这样的事实，即：对于某一径向尺寸而言，相比在径向对立表面中，在倾斜的对立表面中可装配更高数量的沟槽。

图5图示了根据本发明的第一优选实施例的第三变化的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第三变化中，对立环26”不是径向的，而是如以上已讨论地稍微倾斜的。当然，平衡盘22”中的对立表面同样以对应的方式倾斜。此外，整个平衡盘22”同样是倾斜的。以上讨论的机械元件的倾斜由于某些结构原因可能是必需的。例如，采用图5的结构，可使轴的轴承稍微靠近叶轮。

图6图示了根据本发明的第二优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第二实施例中，沟槽64与在第一实施例中相似地布置在平衡盘22中。

图7图示了根据本发明的第三优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第三实施例中，与在第一实施例中的情况相似地，具有布置在对立环26(如所示)中或布置在平衡盘22(未示出)中的若干个沟槽74。

图8图示了根据本发明的第四优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第四实施例中，在平衡盘22中并且在对立环26中有沟槽84’和84”，所述沟槽与在第一实施例中的沟槽相似。

图9图示了根据本发明的第五优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第五实施例中，在平衡盘22中并且在对立环26中有沟槽84’和84”，所述沟槽与在第一实施例中的沟槽相似。另外，平衡盘22在此设置有具有径向表面50’的环形环86。环形环86优选但非必需地，由与固定的对立环26相同的材料制成。当然，环形环86可与较早或以下的实施例中的任何一个实施例结合使用，即，其表面50’设置有沟槽或没有设置沟槽。环形环86可紧固在平衡盘22上或紧固在布置于平衡盘内的沟槽中。仅举几个示例并且无任何意图将选项局限于列出的选项的情况下，环形环86可借助于螺钉、粘合剂、焊接、铆接紧固至平衡盘22。

图10图示了根据本发明的第六优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在第六实施例中，平衡盘22靠近其外周设置有许多圆形环94，这些圆形环从平衡盘22的表面50轴向向外延伸并在它们之间留有环形沟槽94’。这样的圆形环可设置在平衡盘22、对立构件28、对立环26以及平衡盘22中的环形环86中的至少一个中。留在圆形环之间的沟槽与在第一实施例中的沟槽相似。圆形环94优选但非必需地，由与固定的对立环26相同的材料制成，并且仅举几个示例并且无任何意图将选项局限于列出的选项的情况下，借助于螺钉、粘合剂、焊接、铆接紧固至平衡盘。

图11图示了根据本发明的第七优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在该实施例中，平衡盘设置有圆形环，并且对立环设置有环形凹陷，所述圆形环延伸入所述环形凹陷。圆形环和凹陷的壁在它们之间限定本发明的沟槽。

图12图示了根据本发明的第八优选实施例的平衡装置的详细轴向截面。在此，在该实施例中，平衡盘设置有环形环，并且对立构件设置有对立环。环形环和对立环都具有环形沟槽。在该实施例中不同的是，环形环中的至少一个沟槽面对对立环中的至少一个沟槽，由此，液体从细的缝隙流向的腔在两个轴向方向上膨胀，而不是如其他实施例所示地仅在一个轴向方向上膨胀。

将在下文中通过主要参考图2和图3来说明上述平衡装置的操作原理。

当任何具有一个或多个叶轮的单吸离心泵泵送液体时，由所述一个或多个叶轮产生的吸力朝着泵入口拉拽所述一个或多个叶轮，即产生推力。因而，产生的推力需要使用推力轴承，防止一个或多个叶轮变得与泵的蜗壳机械接触。防止机械接触的另一方式是将平衡装置布置在一个或多个叶轮的轴上。在本发明中讨论的平衡装置主要由紧固在轴上用于与之一起旋转的平衡盘形成。平衡装置操作，使得泵送的液体被引导至平衡盘与其固定的对立构件之间的平衡腔，由此，作用于平衡盘的液体压力倾向于使轴从泵的入口移开，即，在与由一个或多个叶轮产生的推力相反的方向上。平衡盘能够产生的力与平衡盘的半径成比例。换句话说，需要的力越强，则平衡盘的半径应越大。然而，平衡盘的功率消耗同样与平衡盘的半径成比例。

如果要降低盘的功率消耗，则在实践中，唯一的方式是减小平衡盘的直径。但当平衡盘22的直径(当然与对立环26一起)在无任何其他措施的情况下减小时，径向跨细的缝隙36’、即从对立环26的内径到其外径的压力差相对于对立环26与平衡盘22之间的缝隙36’中的截面通流区域非常高。跨细的缝隙的高的压力差在细的缝隙的入口处导致了非常高的流动速度，由此，在缝隙中不时形成局部低压区，使得液体能够蒸发成蒸汽。在缝隙中的液体蒸发时，由于蒸汽从缝隙36’逸出非常快，所以盘在对立环26的区域至少部分地失去其负载承载能力。负载承载能力的损失允许轴18朝着泵入口移动，由此，非轴向的对立表面50和52可在大致干燥的状况下最终接触。当非轴向的对立表面接触时，功率消耗迅速增加，摩擦加热非轴向的对立表面并且在其最坏的情况下可损坏这些表面。

换句话说，平衡盘的负载承载能力损失的原因是径向跨细的间隙36’的过高压力差和缝隙区域中流动的过小阻力的组合。当更详细地考虑对立环26与平衡盘22之间的细的缝隙36’中的液体的行为时，了解到的是，该问题可通过如下方式解决：在对立环区域的内周与外周之间，通过将一个或多个环形沟槽布置在平衡盘中或布置在环形环中、或布置在对立构件中或布置在对立环中、或布置上述两者中，从而将总的压力差分成两个或多个分压差，以向间隙36’中的流动增加阻力。通过将一个或多个环形沟槽布置在表面50和/或52中，对立环26的内周和外周之间的流动阻力增大，使得进入对立环26与平衡盘22之间的细的缝隙36’的液体只遇到细的缝隙36’的入口与第一沟槽54之间的压力差，由此，由该特定的压力差导致的液体的速度比在总的压力差作用于液体的这样的情况下低。由此，细的缝隙36’中的局部压力对于不允许液体蒸发而言足够高。此外，由于通流截面的高度或厚度突然从细的缝隙36’的高度或厚度、即从微米范围变成沟槽的高度或厚度、即变成毫米范围，所以每个沟槽中的液体的流动速度降低至接近于零。由于以上原因，所以细的缝隙36’中每一处的液体压力能够承载某一负载，并且由于沟槽区域中的压力能够承载相当大的负载，所以防止了平衡盘22对对立环26或对立构件突然的机械冲击。

一方面，功率消耗的波动是不时蒸发的明确指示，然而，另一方面，波动的缺乏指示了蒸发的缺乏。

鉴于以上讨论的各种实施例，应理解的是，细节、即其沟槽、圆形环、对立环等只要适用就可与任何其他实施例的那些细节互换。相同的情况适用于图4和图5所讨论的变化。换言之，在径向或非径向平衡盘中具有倾斜对立表面的变化中，对立表面可具有图3、图6至图12所讨论的沟槽或圆形环的任何可想到的组合。

在大多数情况下，但非总是，对本发明工作而言所必需的特征是在平衡装置下游的节流器、即进一步控制来自平衡盘下游的腔的液体流动的装置。这样的装置可以是为节流目的具有合适的截面通流区域的手动或以另外的方式控制的阀或管线。然而，例如，优选的节流装置是图2所示的滑动轴承。换句话说，由于叶轮的推力被平衡并因而没有对轴向轴承的需求，由于现在可使用的滑动轴承需要用于润滑目的的液体，所以非常实际的是，将经由平衡装置泄漏的液体引导至离心泵的一个或两个轴轴承。

尽管在本文已作为示例并结合目前被认为是最优选实施例的实施例描述了本发明，但应理解的是，本发明不局限于所公开的实施例，而是意在涵盖其如被包括在本发明的范围内的特征及若干其他应用的各种组合或变型，本发明的范围由所附权利要求限定。以上与任何实施例结合提及的细节可与另一实施例结合使用，只要这样的组合技术上可行。